隨著電池和超級電容等高效蓄能器的大量使用，更好的電流控制成為一種趨勢。今天為大家介紹的是一種雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器，其雙向性允許電流發(fā)生器同時具備充電和放電能力。雙向控制器可以為汽車雙電池系統(tǒng)提供出色的性能和便利性，并延長其使用壽命。而且，在降壓和升壓模式中采用相同的電路模塊，大大降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性和尺寸，甚至可以獲得高達(dá)97%的能源效率，并且可以控制雙向傳遞的最大電流。

電氣原理

圖一顯示了簡單但功能齊全的電氣圖，其對稱配置可讓用戶選擇四種不同的工作模式。它由四個級聯(lián)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的單相象限組成，包括四個開關(guān)、一個電感器和兩個電容器。根據(jù)不同電子開關(guān)的功能，電路可以降低或升高輸入電壓。開關(guān)元件由碳化硅MOSFET RSM065030W組成，當(dāng)然也可以用其它器件代替。

圖一：雙向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器接線圖

四種工作模式

用戶可以簡單配置四個MOSFET來決定電路的工作模式，具體包括如下四種：

電池位于“A”端，負(fù)載位于“B”端，從“A”到“B”為降壓;

電池位于“A”端，負(fù)載位于“B”端，從“A”到“B”為升壓;

電池位于“B”端，負(fù)載位于“A”端，從“B”到“A”為降壓;

電池位于“B”端，負(fù)載位于“A”端，從“B”到“A”為升壓;

在該電路中，碳化硅MOSFET可以三種不同的方式工作：

導(dǎo)通，對地為正電壓;

關(guān)斷，電壓為0;

脈動，具方波和50%PWM。其頻率應(yīng)根據(jù)具體工作條件進(jìn)行選擇。

根據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)，碳化硅MOSFET的功能遵循圖二中所示的表格。

模式一：降壓(Buck)A-B

選擇模式一，電路將作為降壓器工作，即輸出電壓低于輸入電壓的轉(zhuǎn)換器。這種電路也稱為“step-down”。其電壓發(fā)生器需連接在A側(cè)，而負(fù)載連接在B側(cè)。負(fù)載效率取決于所采用的MOSFET器件。具體配置如下：

SW1：以10 kHz方波頻率進(jìn)行切換;

SW2：關(guān)斷，即斷開開關(guān);

SW3：關(guān)斷，即斷開開關(guān);

SW4：關(guān)斷，即斷開開關(guān)。

圖三中的曲線圖顯示了Buck A-B模式下的輸入和輸出電壓。其輸入電壓為12 V，輸出電壓約為9 V，因此電路可用作降壓器。其開關(guān)頻率選擇為10 kHz，輸出端負(fù)載為22 Ohm，功耗約為4W。

圖三：Buck A-B模式下的輸入和輸出電壓

模式二：升壓A-B

模式二提供升壓操作，即作為輸出電壓高于輸入電壓的轉(zhuǎn)換器。這種電路也稱為“step-up”。電壓發(fā)生器需連接在A側(cè)，而負(fù)載連接在B側(cè)。負(fù)載效率取決于所采用的MOSFET器件。具體配置如下：

SW1：導(dǎo)通，即關(guān)閉開關(guān)(柵級供電);

SW2：關(guān)斷，即斷開開關(guān);

SW3：關(guān)斷，即斷開開關(guān);

SW4：以10 kHz方波頻率進(jìn)行切換。

圖四中的曲線圖顯示了Boost A-B模式下的輸入和輸出電壓。其輸入電壓為12 V，輸出電壓約為35V，因此電路可用作升壓器。其開關(guān)頻率選擇為10 kHz，輸出端負(fù)載為22 Ohm，功耗約為55W。

圖四：Boost A-B模式下的輸入和輸出電壓

模式三：降壓B-A

選擇模式三，電路也作為降壓器工作，即輸出電壓低于輸入電壓的轉(zhuǎn)換器。其電壓發(fā)生器需連接在B側(cè)，而負(fù)載連接在A側(cè)。負(fù)載效率取決于所采用的MOSFET器件。具體配置如下：

SW1：關(guān)斷，即斷開開關(guān);

SW2：關(guān)斷，即斷開開關(guān);

SW3：以100 kHz方波頻率進(jìn)行切換;

SW4：關(guān)斷，即斷開開關(guān)。

圖五中的曲線圖顯示了Buck B-A模式下的輸入和輸出電壓。其輸入電壓為24 V，輸出電壓約為6.6V，因此電路可用作降壓器。其開關(guān)頻率選擇為100 kHz，輸出端負(fù)載為10 Ohm。

圖五：Buck B-A模式下的輸入和輸出電壓

模式四：升壓B-A

選擇模式四，電路作為升壓器工作，即輸出電壓高于輸入電壓的轉(zhuǎn)換器。這種電路也稱為“step-up”。其電壓發(fā)生器需連接在B側(cè)，而負(fù)載連接在A側(cè)。負(fù)載效率取決于所采用的MOSFET器件。具體配置如下：

SW1：關(guān)斷，即斷開開關(guān);

SW2：以100 kHz方波頻率進(jìn)行切換;

SW3：導(dǎo)通，即關(guān)閉開關(guān)(柵級供電);

SW4：關(guān)斷，即斷開開關(guān)。

圖六中的曲線圖顯示了Boost B-A模式下的輸入和輸出電壓。其輸入電壓為18V，輸出電壓約為22V，因此電路可用作升壓器。其開關(guān)頻率選擇為100 kHz，輸出端負(fù)載為22 Ohm，功耗約為22W。

圖六：Boost B-A模式下的輸入和輸出電壓

結(jié) 論
電路的效率取決于許多因素，首先是所采用的MOSFET導(dǎo)通電阻Rds(on)，它決定了電流是否容易通過(見圖七)。另外，這種配有四個功率開關(guān)的電路需要進(jìn)行認(rèn)真的安全檢查。如果SW1和SW2(或SW3和SW4)同時處于導(dǎo)通狀態(tài)，則可能造成短路，從而損壞器件。

圖七：Boost A-B模式下，電感上的脈動電壓和電流曲線圖

瑞森-碳化硅MOSFET選型

對標(biāo) Cree、Rohm、ST；

已成功量產(chǎn)650V，1200V，1700V；

采用溝道自對準(zhǔn)工藝制作，器件一致性優(yōu)異；

具有競爭力的Ronsp，與1代產(chǎn)品相比，Ronsp減小20%，與2代產(chǎn)品相比也具有競爭力；

產(chǎn)品規(guī)格：650V-1700V 30mΩ-1Ω；

應(yīng)用領(lǐng)域：太陽能逆變器，高壓DC/DC變換器，UPS，新能源汽車充電樁。

瑞森半導(dǎo)體
REASUNOS，瑞森半導(dǎo)體是一家致力于功率半導(dǎo)體器件的研發(fā)、銷售、技術(shù)支持與服務(wù)為一體的國家高新技術(shù)企業(yè)，研發(fā)團(tuán)隊成員主要來自行業(yè)頂尖技術(shù)精英和知名院校?，F(xiàn)有產(chǎn)品線包括電源管理IC、硅基功率器件、硅基靜電保護(hù)器件以及碳化硅基功率器件（碳化硅二極管和碳化硅MOS）。經(jīng)過數(shù)年的技術(shù)積累和市場開拓，瑞森半導(dǎo)體已經(jīng)成為全球開關(guān)電源、綠色照明、電機(jī)驅(qū)動、數(shù)碼家電、安防工程、光伏逆變、5G基站電源、新能源汽車充電樁等行業(yè)的長期合作伙伴。

審核編輯 黃宇